红外成像探测技术是精确制导的重要手段，随着导弹武器向超音速、高超音速方向发展，红外成像探测装置的工作环境更为恶劣。高速飞行条件下恶劣的气动力热环境使红外窗口的结构安全面临极大挑战，激波、窗口等高温辐射源的辐射干扰严重影响红外探测能力，流场和窗口的传输效应降低了探测制导精度。气动光学效应是高速红外探测与传统红外探测的本质的区别，也是决定红外探测应用于高速导弹可行性的关键因素。
高热流冲击和大气动压力载荷综合作用下，红外窗口产生较大的应力，甚至发生破坏，称为气动力热效应，其决定了高速红外探测系统能不能“活下来”；目标的辐射能量必须穿过高温流场和红外窗口才能到达光学系统，激波、窗口的热辐射干扰影响系统的信噪比，严重时甚至淹没目标信号或使探测器饱和，称为热辐射效应，其决定了高速红外探测系统能不能“看得见”；流场和窗口不均匀的折射率分布和变化影响目标光线的传输，导致目标图像产生模糊、抖动和偏移，称为传输效应，其决定了高速红外探测系统能不能“看的准”。上述三种效应统称为气动光学效应。
据麦姆斯咨询报道，近期，天津津航技术物理研究所邢占等人在《红外与激光工程》期刊上发表了以“红外气动光学效应研究进展与思考”为主题的综述文章。邢占工程师主要从事红外成像制导和气动光学方面的研究工作。
这项研究主要介绍了高速红外成像探测的气动力热效应、热辐射效应和传输效应及其影响，阐述了气动光学效应在机理研究、试验研究、数值模拟和抑制校正技术方面的进展，最后给出了高速红外探测气动光学效应研究的思考与建议。
气动力热效应：保证光学窗口承受气动力热载荷不发生破坏是高速弹载红外探测应用面临的首要问题。在一定的气动力热载荷条件下，材料力热特性决定了窗口的热影响和力响应，主要影响参数包括：密度、比热容、导热系数、热膨胀系数、弹性模量、泊松比、强度等。
热辐射效应：红外成像探测的本质是探测目标与背景之间的辐射能量差异。而窗口、激波等近场高温辐射源的温度都在几百甚至上千摄氏度，远高于目标背景的温度，这些高温热源的热辐射干扰降低了系统的信噪比，严重时甚至淹没目标信号或使探测器饱和，对红外探测的影响不可忽视。高速飞行气动加热使红外窗口温度迅速升温产生较大的热应力的同时，还会造成窗口的透过率下降和自身辐射增强。红外窗口自身辐射会使红外图像背景亮度增强，透过率降低增加了目标信号的损耗。高温条件下窗口材料的光学特性是窗口热辐射效应的研究基础，评估高温窗口热辐射对红外成像的影响成为进一步研究的重点。Whitney T R指出窗口热辐射对红外成像的影响主要包括：非均匀的窗口加热导致焦平面辐照度不均匀和窗口辐射光子噪声降低了信噪比。抑制窗口热辐射效应是高速弹载窗口设计的核心问题。
传输效应：传输效应的来源主要是光学窗口和流场。光学窗口传输效应来源有3方面：（1）在气动力热载荷下窗口产生变形，窗口面型偏离设计状态；（2）热光效应导致窗口气动加热所产生的非均匀温度分布引起窗口折射率不均匀分布；（3）弹光效应导致窗口气动力热载荷诱导应力引起窗口折射率不均匀分布。流场传输效应涉及多个学科领域，由于流动的复杂性，其理论研究难度极大，如何将传输效应模型与流场变量关联起来是其中的关键问题。
西方军事强国尤其是美国，在气动光学3大效应方面都有深入研究，对其产生机理、计算仿真、试验验证及校正等方面都有了比较成熟的理论，这些研究成果在军事、民用等多方面得到了应用。国内气动光学研究起步较晚，经过大批学者的研究，虽然取得了巨大进步，但与国外相比仍存在较大差距。在今后的研究中，以下几个方面值得注意：
（1）红外窗口在气动力热载荷下的温度响应和力学响应问题的研究上比较透彻，目前建立了涵盖结构设计、仿真分析、地面试验、飞行试验等全过程的设计分析验证手段，基本可以支撑高速红外探测系统研制。但对窗口材料变温力热特性研究较少，尚未形成足以支撑工程应用的完备的窗口材料的力热特性数据库，此外红外窗口的强度与制造方法、加工工艺、杂质含量等密切相关，需要通过大量样本的测试建立材料失效模型。窗口材料的高温光学特性研究存在同样的不足，在今后需要重视窗口材料基础力热光学数据的测量和研究，充分发挥材料的性能极限以满足随飞行速度提高日益严酷的气动力热环境。
（2）在窗口热辐射研究方面，虽然目前已经有不少学者提出了窗口辐射仿真分析模型，但大多缺少地面试验和飞行试验的验证，尚不能满足工程应用需求。日益显著的窗口热辐射干扰成为制约末制导阶段导弹飞行速度的提高的主要因素，工程上传统的以窗口平均温度或最高温度评估窗口热辐射效应的方法已不满足使用需求，因此，需要结合理论分析、数值模拟、试验测量与验证等手段建立一套考虑窗口温度梯度的动态窗口热辐射效应分析手段。
（3）窗口制冷技术作为最为有效的抑制窗口热辐射的手段，是红外探测应用于未来更高飞行速度的导弹武器的核心技术之一。对于外部喷流制冷，如何抑制其复杂流动带来的传输效应影响是关键。对于内部冷却技术，尤其值得注意的是金刚石窗口的应用。随着人工合成金刚石窗口技术的日益成熟，利用金刚石极高的热导率进行边框制冷是今后窗口冷却技术中最有前景的发展方向。
（4）由于目标光线需要穿过流场才能被光学系统接收到，高温激波辐射源不可避免地出现在光学系统视场内被“看到”，利用激波热辐射强烈的光谱选择特性对激波辐射开展更为精细的光特性研究，进而采用光谱滤波等技术抑制其对热辐射噪声是未来解决激波热辐射效应的主要技术手段。
（5）窗口和流场传输效应的研究目前主要集中在机理研究方面，尚不足以支撑工程化应用。但随着导弹武器飞行速度的提高，流场传输效应将成为影响高速红外光电系统探测制导精度的核心问题。
（6）国内现有的风洞试验设备主要包括电弧风洞、常规风洞、燃气风洞和激波风洞等，基本都是根据力学试验和热学试验需求建设的，很难满足气动光学效应试验需求，尤其是整机级试验。电弧风洞试验一般马赫数较低，很难模拟飞行试验流场，基本用于窗口的气动热环境；常规风洞来流总温很难达到飞行试验水平；燃气风洞基本能模拟飞行试验的流场，但其流场介质中CO2和水蒸气含量较高，一般无法用于光学试验；激波风洞连续运行时间短，难满足气动光学试验要求。因此，亟需建设专门的气动光学效应风洞试验设备，支撑气动光学研究和地面试验验证。
气动光学是一门涉及流体力学、光学、工程热物理、图像处理等多学科知识的交叉学科，气动光学效应是高速红外探测与传统红外探测的本质区别，也是决定红外探测应用于高速导弹可行性的关键因素。目前气动光学效应研究取得了极大进展，但在试验技术和应用研究方面还需要进一步加强，适应红外探测高速化发展方向。
